專利名稱：一種基于二維造形的多元混雜表面熔覆層的制備方法
技術領域：
本發明屬于表面工程技術領域，涉及一種用于激光表面熔覆制備表面熔覆層的技術，特指一種通過在金屬表面基于二維造形的多元混雜表面熔覆層的制備方法。
背景技術：
據發達國家統計，每年因腐蝕、磨損、疲勞等原因造成的損失約占國民經濟總產值的3％～5％，我國每年因腐蝕造成的直接經濟損失達200億元。我國有幾萬億元的設備資產，每年因磨損和腐蝕而使設備停產、報廢所造成的損失都逾千億元。磨損在零件表面發生，腐蝕從零件表面開始，疲勞裂紋由表面向內延伸，老化是零件表面與介質反應的結果，即使變形，也表現為表面相對位置的錯移。所以“癥結”都是表面問題。因此，利用表面工程技術，在基體表面生成一層性能優異并與基體材料牢固結合的熔覆層，是解決上述問題的有效手段。激光表面熔覆是金屬表面制備熔覆層常用的方法。由于激光熔覆技術具有巨大的發展潛力，并能產生較大的經濟效益，因此，世界上各工業先進國家對激光熔覆技術的研究及應用都非常重視。早在70年代末，美國AVCO公司就汽車發動機許多易磨損件進行了激光熔覆技術的研究，并獲得了激光熔覆的美國專利(United States Patent 3952180)。我國激光熔覆技術的研究始于80年代初，近年來研究工作十分活躍，并產生了一批相關專利，如申請號98101293.0、92108749.7、03136919.7、200310108499.X、92114666.3、03125212.5等。
以上所研究的激光熔覆主要集中在熔覆及其相關設備，其熔覆層所用合金或復合材料基本在涂覆前配制，熔覆層的性能不能根據零件表面各部位的性能要求進行成分和微觀結構設計。
發明內容
本發明提出一種基于二維造形的多元混雜表面熔覆層的制備方法，其可根據零件表面各部位的性能要求進行成分和微觀結構設計的不足，從而獲得多元混雜復合表面熔覆層。
實現本發明的目的技術方案是首先根據金屬基體表面的性(功)能要求，進行二維平面網格造型，再利用數控系統按各部位的要求送相應成分的粉料，并通過選擇光斑直徑、功率、掃描方式等激光熔覆工藝參數控制各部分的熔覆寬度和熔覆量。
本發明基于二維造形的多元混雜表面熔覆層的制備方法，包括以下各步驟第一步，首先通過失效分析，有針對性地研究失效機理及其變化規律，在此基礎上進行表面微結構(性能)設計及優化。
第二步，根據金屬基體表面各部位的性(功)能要求，利用數控系統進行二維平面網格造型，網格夾角為15°～90°，并確定各部位熔覆材料的成分、熔覆寬度和熔覆量；第三步，對金屬表面進行清理，必要時可噴砂處理；第四步，根據第一步確定的要求，選擇各部位熔覆材料和工藝，進行熔覆處理，通過多元復合的協同效應，對零件表面進行性能擬合，在工件工作表面上形成一系列與性能要求優化匹配的、并具有一定成分、密度(間距)、寬度、厚度、角度及形狀的涂層網格，發揮各網格的特性和網格間的協同效應，使整個表面涂層的性能特點接近理想的性(功)能要求。
本發明不僅可用于金屬零件的表面改性，而且可用于剩余壽命的失效、報廢零部件的再制造，延長產品的使用壽命、減少環境污染、節約能源和資源。
本發明的優點是將零件表面的失效分析理論、計算機數控技術與激光熔覆技術進行綜合運用，克服傳統的激光表面熔覆技術不能根據零件表面各部位的性能要求進行成分和微觀結構設計的不足，從而獲得多元混雜復合表面熔覆層。
1.對待處理表面進行失效分析，優化設計表面二維網格和各微區的熔覆成分，使整個熔覆層的工作狀態可接近理想的性(功)能要求；2.激光束進行后一道網格熔覆時所產生的熱效應對前一道網格起到后熱處理作用，有利于其內應力的減小或消除，改善熔覆層的質量和結合強度；3.利用激光束熔覆形成與零件表面服役條件相匹配的、連續、均勻的多道(種)功能網格，各道網格承擔相應的作用，以滿足零件的性(功)能要求；4.各個微觀單元的成分、寬度、形貌、分布密度便于調整，可大幅度調整熔覆層的性能。
圖1是45鋼基體上熔覆具有減摩和“自適應性”耐疲勞磨損的表面熔覆層示意圖；圖2是內燃機汽缸的再制造表面熔覆與汽缸磨損特性相匹配熔覆層示意圖。
圖1中1為固體潤滑網格單元，2為“自適應性”耐疲勞磨損網格單元，3為基礎熔覆單元，4為固體潤滑網格交匯點，a、b、c為各網格單元的寬度，α為網格夾角。
圖2中I為缸套內表面上止點附近區，II為沖程中部區，III為缸套下部區；5為固體滑網格單元，6為基礎熔覆單元，7為固體潤滑網格交匯點；d、e為各網格單元的寬度，α1和α2為I區和II區網格夾角。
具體實施例方式
下面利用實施例對本發明作進一步詳細說明。
實施例的制備過程為在表面失效理論分析的基礎上，進行二維網格造型和各微區熔覆層成分優化，利用計算機數控技術控制激光束和待處理工件的相對運動，對待處理表面進行激光照射，同時將配制好的粉末噴向待處理表而，獲得與零件表面服役條件相匹配的網格化多元混雜復合熔覆層。
實施例一.
金屬基體45鋼，表面網格造型如圖1所示，夾角α為20°～90°。圖中1為固體潤滑網格單元，采用MoS2為固體潤滑相，Ni基自熔合金為黏結相，MoS2不低于50％vol，在工件表面形成與潤滑性能優化要求相匹配的并通過交匯點4相互連通的連續、均勻、縱橫交錯的固體潤滑網絡；圖中2為“自適應性”耐疲勞磨損網格單元，粉末成分為Ti-50％atNi；圖中3為基礎熔覆單元，采用粒度為14μm的SiCp為硬質相，Ni基自熔合金為基體相，SiCp不低于10％vol，此單元所占面積不小于50％。激光熔覆參數為激光功率1.5～3KW、光斑直徑2～5mm、掃描速度6～10mm/s、粉末流量2～4g/min。
實施例二.
本實施例為磨損失效內燃機汽缸的再制造，參見圖2。將因磨損失效內燃機汽缸內表面進行清理，必要時可磨去一薄層。根據汽缸套表面工作長度上的磨損情況，缸套內表面上止點附近區I磨損最嚴重，沖程中部區II次之，下部區III最輕。因此，熔覆網格亦按三個區域設計，如圖2所示，夾角α為20°～70°。其中5為固體滑網格單元，采用MoS2為固體潤滑相，Ni基自熔合金為黏結相，MoS2不低于50％vol，在工件表面形成與潤滑性能優化要求相匹配的并通過交匯點7相互連通的連續、均勻、縱橫交錯的固體潤滑網絡，I區的網格夾角α1和間距a小于II區的網格夾角α2和間距b；6為基礎熔覆單元，采用粒度為14μm的SiCp為硬質相，Ni基自熔合金為基體相，SiCp不低于10％vol，I區成分中SiCp高于II區和III區。激光熔覆參數為激光功率1.5～3KW、光斑直徑2～5mm、掃描速度6～10mm/s、粉末流量2～4g/min。熔覆層厚度依缸套磨損情況和技術要求確定，如磨損過大，可在低層先熔覆一層Ni基合金。
權利要求
1.基于二維造形的多元混雜表面熔覆層的制備方法，其特征是首先根據金屬基體表面的性或功能要求，進行二維平面網格造型，再利用數控系統按各部位的要求送相應成分的粉料，并通過選擇光斑直徑、功率、掃描方式等激光熔覆工藝參數控制各部分的熔覆寬度和熔覆量。
2.根據權利要求1所述的基于二維造形的多元混雜表面熔覆層的制備方法，其特征是第一步，首先通過失效分析進行表面微結構或性能的設計及優化；第二步，根據金屬基體表面各部位的性或功能要求，利用數控系統進行二維平面網格造型，網格夾角為15°～90°，并確定各部位熔覆材料的成分、熔覆寬度和熔覆量；第三步，對金屬表面進行清理，必要時可噴砂處理；第四步，根據第一步確定的要求，選擇各部位熔覆材料和工藝，進行熔覆處理，在工件工作表面上形成一系列與性能要求優化匹配的、并具有一定成分、密度、寬度、厚度、角度及形狀的涂層網格。
全文摘要
本發明屬于表面工程技術領域，特指一種通過在金屬表面進行二維造形制備多元混雜表面熔覆層的方法。其特征在于首先根據金屬基體表面的性(功)能要求，進行二維平面網格造型，再利用數控系統按各部位的要求送相應成分的粉料，并通過激光熔覆工藝參數控制各部分的熔覆寬度和熔覆量。本發明的優點是將零件表面的失效分析理論、計算機數控技術與激光熔覆技術進行綜合運用，克服傳統的激光表面熔覆技術不能根據零件表面各部位的性能要求進行成分和微觀結構設計的不足，從而獲得與零件表面服役條件相匹配的網格化多元混雜復合熔覆層，使整個熔覆層的工作狀態接近理想的性(功)能要求，滿足零件表面的功能特性。
文檔編號B23K26/34GK1814861SQ20061003862
公開日2006年8月9日 申請日期2006年3月6日 優先權日2006年3月6日
發明者戈曉嵐, 張永康, 蔡蘭 申請人:江蘇大學